Perder energia raramente é uma coisa boa, mas agora, pesquisadores no Japão mostraram como estender a aplicabilidade da termodinâmica a sistemas que não estão em equilíbrio. Ao codificar as relações de dissipação de energia de forma geométrica, eles foram capazes de lançar as restrições físicas em um espaço geométrico generalizado. Este trabalho pode melhorar significativamente nossa compreensão das redes de reações químicas, incluindo aquelas que fundamentam o metabolismo e o crescimento de organismos vivos.
A termodinâmica é o ramo da física que trata dos processos pelos quais a energia é transferida entre entidades. Suas previsões são cruciais tanto para a química quanto para a biologia ao determinar se certas reações químicas, ou redes interconectadas de reações, ocorrerão espontaneamente. No entanto, enquanto a termodinâmica tenta estabelecer uma descrição geral dos sistemas macroscópicos, muitas vezes encontramos dificuldades em trabalhar com o sistema fora de equilíbrio. As tentativas bem-sucedidas de estender a estrutura para situações de não equilíbrio geralmente se limitam apenas a sistemas e modelos específicos.

Em dois estudos publicados recentemente na Physical Review Research , pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio demonstraram que processos complexos de reações químicas não lineares podem ser descritos transformando o problema em uma representação geométrica dupla. "Com nossa estrutura, podemos estender teorias de sistemas de não equilíbrio com funções de dissipação quadrática para casos mais gerais, que são importantes para estudar redes de reações químicas", diz o primeiro autor Tetsuya J. Kobayashi.

Na física, a dualidade é um conceito central. Algumas entidades físicas são mais fáceis de interpretar quando transformadas em uma representação diferente, mas matematicamente equivalente. Como exemplo, uma onda no espaço de tempo pode ser transformada em sua representação no espaço de frequência, que é sua forma dual. Ao lidar com processos químicos, força termodinâmica e fluxo são as representações duais não linearmente relacionadas – seu produto leva à taxa na qual a energia é perdida para dissipação – em um espaço geométrico induzido pela dualidade, os cientistas conseguiram mostrar como as relações termodinâmicas podem ser generalizado mesmo em casos de não equilíbrio.

"A maioria dos estudos anteriores de redes de reações químicas baseou-se em suposições sobre a cinética do sistema. Mostramos como elas podem ser tratadas de maneira mais geral no caso de não equilíbrio, empregando a dualidade e a geometria associada", diz o último autor Yuki Sughiyama. Possuir uma compreensão mais universal dos sistemas termodinâmicos e estender a aplicabilidade da termodinâmica de não equilíbrio a mais disciplinas pode fornecer um ponto de vista melhor para analisar ou projetar redes de reações complexas, como aquelas usadas em organismos vivos ou processos de fabricação industrial. + Explorar mais

A termodinâmica da vida tomando forma